Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процесса

На первых уроках мы уже затрагивали явление превращения одной формы энергии в другую. Сегодня мы поговорим об этом более подробно. В примере с падением мяча мы выясняли, что потенциальная энергия превратилась в кинетическую в результате свободного падения.

Мы говорили о том, что полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий: E=Е_п + Е_к = const.

Если поверхность Земли взять за нулевую высоту, то полная механическая энергия будет оставаться постоянной в каждый момент времени. Это и есть закон сохранения механической энергии. Следует помнить, что при воздействии сил сопротивления (таких, как сила трения, например), происходят потери энергии. Однако, если такие силы отсутствуют, то суммарная механическая энергия тела не меняется.

Также, мы уже знаем, что остывающее тело отдаёт ровно столько энергии, сколько получает нагревающееся тело, с которым оно взаимодействует. Кроме того, мы видели примеры превращения механической энергии во внутреннюю. Пример обратного процесса — движение автомобиля, потребляющего энергию двигателя внутреннего сгорания. Теперь мы знаем, что энергия не просто превращается, но и сохраняется, какие бы процессы ни происходили. Если внимательно подсчитать все затраты энергии и учесть все факторы, то мы убедимся, что начальный запас энергии какого-либо тела будет равен сумме всех затрат и энергии, оставшейся у тела.

Например, лыжник скатывается с горы. Он обладал потенциальной энергией вследствие нахождения на определённой высоте. Под действием силы притяжения, он набрал некоторую скорость. Значит, часть потенциальной энергии превратилась в кинетическую энергию. Также,  каким бы скользким ни был снег, присутствие силы трения неизбежно (иначе, лыжи бы никогда не остановились, набрав скорость).

В результате трения часть энергии передалась лыжам, а часть — поверхности, с которой был непосредственный контакт. Кроме того, существует сила сопротивления воздуха, которая также способствует потерям энергии. В подобных ситуациях она, как правило, ничтожно мала, поэтому её не учитывают в приблизительных расчетах.

Другой пример сохранения энергии — это кипячение воды на костре.

Значительная часть тепловой энергии костра передаётся окружающей среде посредством излучения. Также, люди, находящиеся рядом с костром, греются, т.е. поглощают энергию. Часть энергии передаётся котлу и воде, которая нагревается. Часть воды превращается в пар, и в результате конвекции энергия переносится в верхние слои воздуха. В конце концов, какая-то часть энергии дойдет до слоёв атмосферы, где значительная часть воздуха охладится и вернётся в виде осадков. Взятие во внимание всех подобных факторов приведёт к сложным расчётам, однако, если эти расчёты будут выполнены достаточно щепетильно, то мы получим знак точного равенства между суммами начальной и конечной энергий.